DE102007024199B4 - Manufacturing method of a micromechanical device with a porous membrane - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements, mit den Schritten – Bereitstellung eines Trägerelements (100) aus einem Halbleitermaterial und – Erzeugung einer Membran (140, 240, 340) auf oder in dem Trägerelement – Porosifizierung der Membran (150, 250, 350, 400) mittels eines elektrochemischen Ätzvorgangs, wobei vor der Porosifzierung auf wenigstens eine Seite der Membran eine elektrisch leitfähige Schicht (130, 230, 330) aufgebracht wird, wobei vorgesehen ist, die Membran von der dieser Seite abgewandten Seite aus porös geätzt wird. dadurch gekennzeichnet, dass während des Ätzvorgangs zunächst die Membran und anschließend die elektrisch leitfähige Schicht porös geätzt wird, wobei vorgesehen ist, dass der elektrochemische Ätzvorgang unterbrochen wird, wenn wenigstens eine durchgehend Pore durch die Membran und die leitfähige Schicht geätzt wurde, um eine durch die gesamte Membran hindurchreichende gleichmäßige Porenstruktur über die Oberfläche der Membran zu erzeugen.Method for producing a micromechanical component, comprising the steps of - providing a carrier element (100) of a semiconductor material and - producing a membrane (140, 240, 340) on or in the carrier element - porosification of the membrane (150, 250, 350, 400) by means of an electrochemical etching process, wherein before the porosification on at least one side of the membrane, an electrically conductive layer (130, 230, 330) is applied, wherein it is provided, the membrane is etched from the side facing away from this side of porous. characterized in that during the etching process, first the membrane and then the electrically conductive layer is etched porous, wherein it is provided that the electrochemical etching is interrupted when at least one continuous pore was etched through the membrane and the conductive layer to one through the Throughout the membrane to produce uniform uniform pore structure over the surface of the membrane.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem ein mikromechanisches Bauelement mit einer porosifizierten Membran in einem Trägerelement hergestellt werden kann, nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.The invention relates to a method with which a micromechanical component with a porosified membrane can be produced in a carrier element, according to the preamble of the independent claim 1.

Aus der Schrift DE 100 32 579 A1 ist bereits ein Halbleiterbauelement bekannt, bei dem eine poröse Schicht in einem Halbleitersubstrat erzeugt wird, welche durch die Bildung einer darunter liegenden Kaverne zu einer Membran ausgebildet wird. Eine derartige poröse Schicht lässt sich beispielsweise dadurch erzeugen, dass Silizium in Flusssäure anodisiert wird.From the Scriptures DE 100 32 579 A1 For example, a semiconductor device is already known in which a porous layer is produced in a semiconductor substrate, which is formed into a membrane by the formation of an underlying cavity. Such a porous layer can be produced, for example, by anodizing silicon in hydrofluoric acid.

Diese Porosifizierung kann ausgenutzt werden, um feinporige Membranen und Filter zu erzeugen, mit denen Flüssigkeiten und Gase gereinigt werden können. In bekannten Anlagen zur Porosifizierung, wie sie beispielsweise aus der DE 199 14 905 A1 bekannt sind, wird der zu porosifizierende Wafer in ein Becken mit Flussäure, Wasser und einem Netzmittel, z. B. EtOH, IPA getaucht. Dabei kann der Wafer sowohl zwischen der Kathode und der Anode platziert werden als auch selber die Anode einer elektrochemischen Zelle bilden. Die Leitfähigkeit (Bereitstellung der Ladungsträger) im Si wird durch eine hohe Dotierung (vorzugsweise p++, Bor) oder/und Beleuchtung sichergestellt. Sobald jedoch der Wafer an einer Stelle gänzlich porosifiziert ist, die poröse Schicht also von einer bis zur anderen Seite reicht, kommt es zu einem Kurzschluss im Elektrolyten und der Prozess der Porosifizierung kommt zum Stillstand. Dieser Durchbruchseffekt führt zu einem sehr inhomogen porosifizierten Bereich an der Membranoberfläche. Man erhält zudem in dieser Region extrem niedrige Porositäten von unter 10%, die die Aufgabe der porösen Membran im späteren Einsatz stark beeinträchtigt.This porosification can be exploited to produce fine-pored membranes and filters that can be used to clean liquids and gases. In known systems for porosification, as for example from the DE 199 14 905 A1 are known, the wafer to be porosified in a basin with hydrofluoric acid, water and a wetting agent, for. EtOH, IPA. In this case, the wafer can be placed both between the cathode and the anode and also form the anode of an electrochemical cell itself. The conductivity (provision of the charge carriers) in the Si is ensured by a high doping (preferably p ++, boron) or / and illumination. However, as soon as the wafer is completely porosified at one point, ie the porous layer extends from one side to the other, a short circuit occurs in the electrolyte and the process of porosification comes to a standstill. This breakthrough effect leads to a very inhomogeneously porosified area on the membrane surface. In addition, extremely low porosities of less than 10% are obtained in this region, which severely impairs the task of the porous membrane in later use.

Aus der Schrift US 20014/0124092 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Membran bekannt, bei dem eine Schicht aus selbstorganisierendem Material verwendet wird. Dieses selbstorganisierende Material wird auf eine Substrat aufgebracht, um eine poröse Maske für das darunter liegende Substrat zu bilden. Anschließend wird durch das poröse selbstorganisierende Material das Substratmaterial derart herausgelöst, dass in diesem Substratmaterial ebenfalls ein poröser Bereich entsteht.From the Scriptures US 20014/0124092 A1 For example, a method of making a porous membrane using a self-assembling material layer is known. This self-assembling material is applied to a substrate to form a porous mask for the underlying substrate. Subsequently, the substrate material is dissolved out in such a way by the porous self-organizing material that a porous area likewise arises in this substrate material.

Aus der Schrift DE 2004 036 032 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem in einem Substrat ein Bereich mit einer erhöhten Dotierung erzeugt wird. Durch eine zusätzlich aufgebrachte strukturierte Maskenschicht wird ein Anodisierungsprozess durchgeführt, der in dem Bereich lokal erzeugte Mesoporen entstehen lässt, wobei in dem darunter liegenden Substrat eine Schicht mit Nanoporen entsteht. Mittels einer anschließenden Temperung wird in dem Substrat durch Umlagerung des Substratmaterials eine Kaverne und in dem Bereich eine geschlossene Schicht erzeugt.From the Scriptures DE 2004 036 032 A1 For example, a method is known in which a region with an increased doping is produced in a substrate. An additionally applied structured mask layer is used to perform an anodization process, which produces locally generated mesopores in the region, a layer of nanopores being formed in the underlying substrate. By means of a subsequent tempering, a cavern is produced in the substrate by rearrangement of the substrate material and in the region a closed layer.

Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren, das sicherstellt, dass die Silizium-Membran vollständig und gleichmäßig porosifiziert wird.The object of the invention is a method which ensures that the silicon membrane is fully and uniformly porosified.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein mikromechanisches Bauelement, ein dafür geeignetes Herstellungsverfahren sowie die Verwendung des mikromechanischen Bauelements als Filter eines Fluids beschrieben. Dabei besitzt das mikromechanische Bauelement ein Trägerelement aus einem Halbleiterelement, welches eine freitragende Membran mit porösen Strukturen aufweist. Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, dass die porösen Strukturen, die sich von einer Seite der Membran auf die andere Seite der Membran erstrecken und somit jeweils eine Durchgangsöffnung darstellen, gleichmäßig auf der Oberfläche der Membran verteilt sind.According to the present invention, a micromechanical component, a production method suitable for this purpose and the use of the micromechanical component as a filter of a fluid are described. In this case, the micromechanical component has a carrier element made of a semiconductor element, which has a self-supporting membrane with porous structures. The essence of the invention is that the porous structures, which extend from one side of the membrane to the other side of the membrane and thus each represent a passage opening, are uniformly distributed on the surface of the membrane.

Durch eine gleichmäßig auf der Oberfläche der Membran verteilte Anordnung von Poren gleicher Größe kann ein effektiver Filter erzeugt werden, mit dem der Durchlass mikroskopisch kleiner Substanzen, z. B. biologische Zellen, gegenüber dem diese Substanzen enthaltenen Fluids verhindert werden kann. Besonders vorteilhaft dabei ist, dass dieser Filter in Form einer porösen Membran einstückig mit einem Rahmen in Form eines Trägerelements verbunden ist. Zur mechanischen Stabilisierung können auch Stützstege in die Membran eingebracht sein.By an evenly distributed on the surface of the membrane array of pores of the same size, an effective filter can be generated, with the passage of microscopic substances, eg. B. biological cells against which these substances contained fluids can be prevented. It is particularly advantageous that this filter is integrally connected in the form of a porous membrane with a frame in the form of a support member. For mechanical stabilization and support webs can be introduced into the membrane.

Eine derartig gleichmäßige Verteilung der Poren auf bzw. in der Membran wird durch die Verwendung einer elektrisch leitfähigen Schicht erreicht, die vor der Erzeugung der Poren in der Membran durch einen elektrochemischen Ätzvorgang erzeugt werden. Dabei wird vorteilhafterweise die elektrisch leitfähige Schicht auf einer Seite der Membran aufgebracht, wohingegen der Ätzvorgang, d. h. der Materialabtrag, von der anderen Seite der Membran gestartet wird. Im Laufe des Ätzvorgangs wird dabei zunächst die Membran porös geätzt. Erst wenn die Poren sich bis zur elektrisch leitfähigen Schicht gebildet haben, wird auch Material von dieser Schicht abgetragen. Sobald die Poren eine durchgehende Öffnung von einer Seite zur anderen Seite der Membran bilden, stoppt der Ätzprozess infolge eines Kurzschlusses, so dass der Ätzprozess automatisch zum Stillstand kommt. Anschließend wird die elektrisch leitfähige Schicht mittels eines geeigneten Ätzvorgangs selektiv gegenüber dem Material der Membran und/oder des Trägerelements in dem die Membran sich befindet entfernt.Such an even distribution of the pores on or in the membrane is achieved by the use of an electrically conductive layer, which are produced by an electrochemical etching process before the production of the pores in the membrane. In this case, the electrically conductive layer is advantageously applied to one side of the membrane, whereas the etching process, ie the material removal, is started from the other side of the membrane. In the course of the etching process, the membrane is first etched porous. Only when the pores have formed to the electrically conductive layer, material is also removed from this layer. Once the pores form a continuous opening from one side to the other side of the membrane, the etching process stops due to a short circuit, so that the etching process automatically stops. Subsequently, the electrically conductive layer by means of a suitable etching process selectively removed from the material of the membrane and / or the carrier element in which the membrane is located.

Der Vorteil bei dieser Vorgehensweise besteht darin, dass sich die Verarmungszone, d. h. die Bildung von nur sehr wenigen durchgehenden Poren durch die Membran bevor ein Kurzschluss den elektrochemischen Ätzvorgang beendet in der elektrisch leitfähigen Schicht befindet. Durch die Entfernung dieser Schicht kann die durchgehende Porenbildung in der Membran genauer gesteuert werden.The advantage with this approach is that the depletion zone, i. H. the formation of only a very few continuous pores through the membrane before a short circuit completes the electrochemical etching process in the electrically conductive layer. By removing this layer, the continuous pore formation in the membrane can be more accurately controlled.

So lassen sich beispielsweise die Durchmesser der Öffnungen der Poren aber auch die Größe der Poren durch eine geeignete Wahl der Ätzparameter (z. B. Säurestärke, Stromstärke, Ätzdauer) in Verbindung mit der Wahl der Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Schicht vorgeben. Vorgesehen sind dabei Porendurchmesser von 2 nm bis 20 μm wobei insbesondere für Filter, die in Flüssigkeiten verwendet werden soll, z. B. im Rahmen eines Glukose Sensors Porendurchmesser von 2 bis 20 nm vorgesehen sind.Thus, for example, the diameters of the openings of the pores but also the size of the pores can be predetermined by a suitable choice of the etching parameters (eg acid strength, current intensity, etching time) in conjunction with the choice of the layer thickness of the electrically conductive layer. Provided are pore diameters of 2 nm to 20 microns in particular for filters to be used in liquids, eg. B. in the context of a glucose sensor pore diameters of 2 to 20 nm are provided.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die Membran direkt aus dem Trägerelement herauszustrukturieren. Dies wird vorteilhafterweise mittels eines Trenchätzprozesses erreicht, bei dem eine Kaverne in das aus einem Halbleitersubstrat bestehende Trägerelement getrencht wird.In one embodiment of the invention, it is provided to structure the membrane directly from the carrier element. This is advantageously achieved by means of a trench etching process, in which a cavity is trimmed into the carrier element consisting of a semiconductor substrate.

Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, die Membran mittels eines Depositionsprozesses, z. B. eines epitaktischen Wachstums auf dem Trägerelement zu erzeugen, beispielsweise indem eine oder mehrere Membranschichten auf das Trägerelement aufgebracht werden. Dabei kann auch die Verwendung eines SOI Substrates vorgesehen sein.Alternatively, however, can also be provided, the membrane by means of a deposition process, for. Example, to produce an epitaxial growth on the support member, for example by one or more membrane layers are applied to the support member. In this case, the use of a SOI substrate can be provided.

Um ein selektives Ätzen der elektrisch leitfähigen Schicht gegenüber dem Material der Membran bzw. des Trägerelements zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, die elektrisch leitfähige Schicht aus dotiertem SiGe bzw. Si herzustellen während die Membran bzw. das Trägerelement aus Si oder SiC besteht.In order to enable a selective etching of the electrically conductive layer with respect to the material of the membrane or of the carrier element, provision can be made to produce the electrically conductive layer of doped SiGe or Si while the membrane or the carrier element consists of Si or SiC.

Zur Stabilisierung der porösifizierten Membran bzw. des damit erzeugten Filters können Stege dienen, die direkt an der Membran anliegen.To stabilize the porous membrane or the filter thus produced can serve webs which bear directly against the membrane.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.Further advantages will become apparent from the following description of exemplary embodiments or from the dependent claims.

Zeichnungendrawings

Die 1a bis 1d sowie 2a bis 2c zeigen alternative Herstellungsverfahren, bei dem eine poröse Membran aus einem Trägerelement herausstrukturiert wird. Dagegen zeigen die 3a bis 3d eine Erzeugung einer porösen Membran durch das epitaktische Aufwachsen von Membranschichten. In der 4c wird eine Ausgestaltung der Erfindung mit Stegen gezeigt.The 1a to 1d such as 2a to 2c show alternative manufacturing processes in which a porous membrane is patterned out of a carrier element. In contrast, the show 3a to 3d a generation of a porous membrane by the epitaxial growth of membrane layers. In the 4c An embodiment of the invention with webs is shown.

Ausführungsbeispielembodiment

Zur Erzeugung einer gleichmäßigen Porosifizierung in einer Membran wird, wie in 1a dargestellt, zunächst in einem ersten Ausführungsbeispiel eine Maskierungsschicht 110 auf die Rückseite eines Silizium-Halbleitersubstrat 100 aufgebracht. Diese Schicht dient für den nachfolgenden Ätzprozess als Maske für die Bildung einer Kaverne 120, die eine Membran 140 in dem Si-Halbleitersubstrat 100 erzeugt. Die Kaverne kann dabei mittels eines KOH-Ätzvorgangs aber auch mittels eines Trenchätzprozesses erzeugt werden. Um einen frühzeitigen Kurzschluss und somit Beendigung des elektrochemischen Ätzvorgangs vor Vollendung einer gleichmäßigen Durchdringung der Membran mit Poren zu verhindern, wird auf die der Kaverne 120 abgewandten Seite der Membran 140 eine elektrisch leitfähige Schicht 130 aufgebracht (siehe 1b). Diese elektrisch leitfähige Schicht weist beispielsweise dotiertes SiGe, Si oder SiC auf, je nach Membranmaterial, da diese Schicht in einem späteren Verfahrensschritt selektiv gegenüber dem Material der Membran 140 geätzt werden muss. Anschließend wird die Porosifizierung der Membran 140 mittels bekannter elektrochemischer Verfahren von der Rückseite des Si-Halbleitersubstrats 100 durch die Kaverne 120 durchgeführt. Dabei wird zunächst die gesamte Si-Schicht der Membran 140 sowie ein Teil des Kavernenrands porös geätzt, bevor auch das SiGe der elektrisch leitfähigen Schicht 130 porös geätzt wird. Mit Erreichen einer ausreichenden Zahl von Öffnungen zwischen den beiden Membranseiten bzw. einer vorgegebenen Größe der Öffnungen in der Membran kommt es zum Kurzschluss und zur Einstellung des elektrochemischen Ätzvorgangs. Nach einem selektivem Entfernen der elektrisch leitfähigen Schicht 130 gegenüber dem Material des Halbleitersubstrats 100 erhält man, wie in 1c dargestellt, eine poröse Membran 150, die in einem Rahmen bestehend aus dem übrigen Halbleitersubstrat 100 einstückig bzw. freitragend eingebettet ist.To produce a uniform porosification in a membrane, as in 1a illustrated, first in a first embodiment, a masking layer 110 on the back of a silicon semiconductor substrate 100 applied. This layer serves as a mask for the formation of a cavity for the subsequent etching process 120 that is a membrane 140 in the Si semiconductor substrate 100 generated. The cavern can be generated by means of a KOH etching process but also by means of a Trenchätzprozesses. To prevent an early short circuit and thus termination of the electrochemical etching process before completion of a uniform penetration of the membrane with pores, is on the cavern 120 opposite side of the membrane 140 an electrically conductive layer 130 applied (see 1b ). This electrically conductive layer has, for example, doped SiGe, Si or SiC, depending on the membrane material, since this layer in a later method step selectively relative to the material of the membrane 140 must be etched. Subsequently, the porosification of the membrane 140 by known electrochemical methods from the back of the Si semiconductor substrate 100 through the cavern 120 carried out. First, the entire Si layer of the membrane 140 as well as a part of the cavern edge etched porous before, even the SiGe of the electrically conductive layer 130 is etched porous. Upon reaching a sufficient number of openings between the two sides of the membrane or a predetermined size of the openings in the membrane, there is a short circuit and to adjust the electrochemical etching process. After a selective removal of the electrically conductive layer 130 to the material of the semiconductor substrate 100 you get, as in 1c shown, a porous membrane 150 in a frame consisting of the remaining semiconductor substrate 100 embedded in one piece or self-supporting.

In der 1d, die einen Ausschnitt der porösen Membran 150 der 1c darstellt, ist beispielhaft dargestellt, wie die porösen Strukturen in der Membran ausgebildet sind. Durch den erfindungsgemäßen Ätzprozess werden eine Vielzahl von Öffnungen bzw. Kanäle gebildet, die von einer Seite der Membran zur anderen Seite reichen. Dabei kann der verwendete Ätzprozess dazu führen, dass die Öffnungen an der Seite, an der der Ätzvorgang beginnt, einen größeren Durchmesser als auf der andere Seite haben. Maßgeblich für die Verwendung der porösen Membran als Filter ist jedoch der jeweilige kleinste Durchmesser der Öffnung.In the 1d forming a section of the porous membrane 150 of the 1c FIG. 2 shows, by way of example, how the porous structures are formed in the membrane. The etching process according to the invention forms a multiplicity of openings or channels which extend from one side of the membrane to the other side. In this case, the etching process used can cause the openings on the side at which the etching process starts to have a larger diameter than on the other side. Decisive for the use of the porous Membrane as a filter, however, is the respective smallest diameter of the opening.

Zur Erreichung eines vorgesehenen Querschnitts der Öffnungen sind die Ätzparameter derart auszuwählen, dass ausreichend viele Öffnungen mit dem gewünschten Durchmesser auf der Seite der Membran ausgebildet werden, auf der auch die elektrisch leitfähige Schicht 130 aufgebracht und wieder entfernt wurde. Die Verwendung der nötigen Ätzparameter für eine bevorzugte Durchmessergröße der Öffnungen kann dabei aus einer Vielzahl von Vergleichsmessungen ermittelt werden. Neben den Ätzparametern wie Stromstärke, Säurestärke, Ätzdauer und verwendeter Ätzmaterialien wirkt sich auch die Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Schicht auf die erreichbaren Durchmesser der Öffnungen aus. Je länger der Ätzvorgang benötigt, um einen Kanal bzw. eine Öffnungen durch die leitfähige Schicht zu ätzen, desto größer wird der Durchmesser am Übergang Membran-leitfähige Schicht. Zusätzlich bestimmt die Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Schicht auch die Anzahl an Öffnungen durch die Membran. Dies bedeutet, dass bei einer dickeren leitfähigen Schicht mehr Öffnungen durch die endgültige Membran erzeugt werden.To achieve a suitable cross-section of the openings, the etching parameters should be selected such that a sufficient number of openings with the desired diameter are formed on the side of the membrane, on which the electrically conductive layer 130 was applied and removed again. The use of the necessary etching parameters for a preferred diameter size of the openings can be determined from a multiplicity of comparative measurements. In addition to the etching parameters such as current intensity, acid strength, etching time and etching materials used, the layer thickness of the electrically conductive layer also has an effect on the achievable diameter of the openings. The longer the etching takes to etch a channel or openings through the conductive layer, the larger the diameter becomes at the membrane-conductive layer junction. In addition, the layer thickness of the electrically conductive layer also determines the number of openings through the membrane. This means that with a thicker conductive layer, more openings are created through the final membrane.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den 2a bis 2c dargestellt. Hierbei wird die Membran 250 zwar ebenfalls aus Halbleitersubstrat 100 heraus strukturiert, jedoch erfolgt der Ätzvorgang nicht wie im ersten Ausführungsbeispiel durch die Kaverne 120, sondern von der Oberseite der Halbleitersubstrats 100. Der Vorteil bei einem derartigen Verfahren ist, dass die Seitenwände der Kaverne 120 nicht porös geätzt werden.Another embodiment of the invention is in the 2a to 2c shown. Here, the membrane 250 Although also made of semiconductor substrate 100 structured out, however, the etching is not carried out as in the first embodiment by the cavern 120 but from the top of the semiconductor substrate 100 , The advantage of such a method is that the side walls of the cavern 120 not be etched porous.

Ausgangspunkt dieses Ausführungsbeispiels ist, wie in 2a dargestellt, wieder ein Si-Halbleitersubstrat 100, auf dem eine erste Maskierungsschicht 110 zur Bildung der Kaverne 120 aufgebracht wird. Nach der Erzeugung der Kaverne 120 wird wie in 2b gezeigt, von der Rückseite eine elektrisch leitfähige Schicht 230 vorzugsweise auf den Boden und die Wände der Kaverne 120 aufgebracht. Um unnötige Maskierungsschritte zu vermeiden, kann die gesamte Rückseite des Halbleitersubstrats 100 mit dieser Schicht 230 bedeckt werden, da diese Schicht 230 im Folgenden ohnehin wieder selektiv entfernt wird. Zum Schutz des Si-Halbleitermaterials auf der Vorderseite des Substrats 100 bzw. zur Definition der lokale Lage der Membran 240 können eine oder mehrere Schichten 200 bzw. 210 zur Maskierung aufgebracht werden (siehe 2b). Mit Hilfe der so erzeugten zweiten Maskierung auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats 100 wird nachfolgend durch den bereits erwähnten Ätzprozess die Membran 250 lokal porös geätzt, bevor die elektrisch leitfähige Schicht 230 selektiv gegenüber dem Silizium des Halbleitersubstrats 100 entfernt wird. In der 2c sind hierzu die Schichten 200 und 210 ebenfalls entfernt dargestellt, wobei auch vorgesehen sein kann, dass diese Schichten auch bei dem fertigen Halbleiterelement zumindest teilweise noch vorhanden sind. Dabei können einzelne oder mehrere dieser Schichten 200 bzw. 210 bereits funktionelle Eigenschaften für die spätere Verwendung des noch zu erzeugenden Halbleiterelements aufweisen. Denkbar sind hierbei beispielsweise Schaltungs- oder Auswerteelemente für Sensorelemente auf der Membran 240 bzw. 250.The starting point of this embodiment is, as in 2a again, an Si semiconductor substrate 100 on which a first masking layer 110 for the formation of the cavern 120 is applied. After the generation of the cavern 120 will be like in 2 B shown, from the back of an electrically conductive layer 230 preferably on the floor and the walls of the cavern 120 applied. To avoid unnecessary masking steps, the entire backside of the semiconductor substrate 100 with this layer 230 be covered, as this layer 230 in the following anyway selectively removed again. To protect the Si semiconductor material on the front side of the substrate 100 or to define the local position of the membrane 240 can have one or more layers 200 respectively. 210 be applied for masking (see 2 B ). With the aid of the second masking thus produced on the front side of the semiconductor substrate 100 Subsequently, the membrane is formed by the already mentioned etching process 250 locally etched porous before the electrically conductive layer 230 selective to the silicon of the semiconductor substrate 100 Will get removed. In the 2c these are the layers 200 and 210 also shown removed, wherein it can also be provided that these layers are at least partially still present in the finished semiconductor element. It can be one or more of these layers 200 respectively. 210 already have functional properties for the subsequent use of the still to be produced semiconductor element. Conceivable here are, for example, circuit or evaluation elements for sensor elements on the membrane 240 respectively. 250 ,

In einem dritten Ausführungsbeispiel wird die porös zu ätzende Membran 350 nicht aus dem Halbleitersubstrat 100 selbst erzeugt sondern durch zusätzlich aufgebrachte Schichten definiert. Zu diesem Zweck werden auf dem Halbleitersubstrat 100 eine oder mehrere Schichten 300 bzw. 310 aufgebracht, z. B. mittels eines epitaktischen Wachstums (siehe 3a). Anschließend kann, wie bereits in den vorherigen Ausführungsbeispielen dargelegt, mittels einer ersten Maskierung von der Rückseite des Halbleitersubstrats 100 eine Kaverne 120 erzeugt werden. Diese Kaverne kann dabei durch das gesamte Halbleitersubstrat 100 hindurch geätzt werden, wie in 3b zu erkennen ist. Alternativ kann diese Kaverne jedoch auch nur auf einen Teil des Substrats beschränkt sein. Zur Definition der lateralen Ausdehnung der Membran 340 der Oberseite des Halbleitersubstrats 100 ist wie bereits in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel eine zweite Maskierung 320 notwendig, die auf die bereits abgeschiedenen Schichten 300 und 310 aufgebracht wird. Zusätzlich wird wieder auf die Rückseite des Halbleitersubstrats 100 eine elektrisch leitfähige Schicht 330 aufgebracht, die auch die Wände und den Boden der Kaverne 120 bedeckt. Im nachfolgenden Ätzschritt wird das Material der Schichten 300 und 310 an der Stelle der Membran 340 derart geätzt, dass wie bereits beschrieben eine poröse Membran 350 entsteht. Anschließend wird in einem weiteren Schritt die zweite Maskierung 320 und die elektrisch leitfähige Schicht 330 entfernt.In a third embodiment, the membrane to be etched is porous 350 not from the semiconductor substrate 100 self generated but defined by additionally applied layers. For this purpose be on the semiconductor substrate 100 one or more layers 300 respectively. 310 applied, z. By epitaxial growth (see 3a ). Subsequently, as already explained in the previous exemplary embodiments, by means of a first masking from the rear side of the semiconductor substrate 100 a cavern 120 be generated. This cavern can pass through the entire semiconductor substrate 100 be etched through, as in 3b can be seen. Alternatively, however, this cavern may also be limited to only a part of the substrate. To define the lateral extent of the membrane 340 the top of the semiconductor substrate 100 is a second mask as in the previous embodiment 320 necessary on the already deposited layers 300 and 310 is applied. In addition, back to the back of the semiconductor substrate 100 an electrically conductive layer 330 applied, which includes the walls and the floor of the cavern 120 covered. In the subsequent etching step, the material of the layers 300 and 310 at the site of the membrane 340 etched such that, as already described, a porous membrane 350 arises. Subsequently, in a further step, the second masking 320 and the electrically conductive layer 330 away.

Mit dem dritten Ausführungsbeispiel lässt sich in vorteilhafterweise die Membrandicke eindeutig festlegen, wenn die Kaverne bis zur ersten aufgebrachten Schicht 300 reicht. Dabei kann statt einem Si-Halbleitersubstrat 100 auch ein anders geartetes Substrat verwendet werden, beispielsweise ein nicht leitendes Substrat. Die Schicht 300 besteht vorteilhafter Weise aus einem Oxid, welches als selektiver Trenchstopp für die Membrandefinition genutzt wird (genaue Einstellung der Membrandicke über ganzen Wafer). Nach Trench wird diese Schicht 300 beispielsweise in Flusssäure entfernt und im Anschluss die elektrisch leitfähige Schicht 330 aufgebracht. Die Membran 350 wird aus der Schicht 310 gebildet.With the third exemplary embodiment, the membrane thickness can advantageously be determined unambiguously if the cavity is up to the first applied layer 300 enough. In this case, instead of a Si semiconductor substrate 100 Also, a different kind of substrate can be used, for example, a non-conductive substrate. The layer 300 advantageously consists of an oxide, which is used as a selective trench stop for the membrane definition (exact adjustment of the membrane thickness over entire wafer). After Trench, this layer becomes 300 removed, for example, in hydrofluoric acid and then the electrically conductive layer 330 applied. The membrane 350 gets out of the layer 310 educated.

Als elektrisch leitfähige Schicht kann eine dotierte Schicht aus SiGe verwendet werden, die in ähnlicher Weise wir Si porosifiziert werden kann, aber durch CIF3 selektiv zum Si geätzt werden kann. Als Maskierungsschichten werden üblicherweise SiC-Schichten, SiN, Si3N4 oder auch PT-Schichten verwendet. Darüber hinaus ist auch eine n-Dotierung des Si-Materials möglich.As the electrically conductive layer, a doped layer of SiGe may be used, which similarly Si can be porosified, but can be selectively etched to Si by CIF 3 . As masking layers usually SiC layers, SiN, Si 3 N 4 or PT layers are used. In addition, an n-doping of the Si material is possible.

Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Membran aus SiC herzustellen und die leitfähige Schicht aus dotiertem SiGe oder Si herzustellen, da SiC von CIF3 nicht angegriffen wird.However, it may also be provided to fabricate the membrane from SiC and to produce the conductive layer of doped SiGe or Si, since SiC is not attacked by CIF 3 .

In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß der 4 kann vorgesehen sein, die Membran 400 mit Stützstegen 410 zu versehen. Diese Stützstege 410 können wie abgebildet auf der gleichen Höhe wie das Substrat 100 enden. Es kann jedoch auch eine andere Höhe der Stützstege 410 vorgesehen sein, z. B. wenn das Substrat 100 in ein anderes Bauelement eingesetzt wird.In a further embodiment according to the 4 can be provided, the membrane 400 with support bars 410 to provide. These support bars 410 can be as shown at the same height as the substrate 100 end up. However, it can also be a different height of the support webs 410 be provided, for. When the substrate 100 is used in another component.

In der 4 sind die Stützstege 410 ebenfalls wie die Membran 400 porös geätzt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Stützstege 410, die beim Einbringen der Kaverne 120 stehen gelassen werden, nicht porös geätzt werden. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Membran 400 nur in den Verlängerungen der Kavernen 120 porös geätzt wird. In letzterem Fall bleiben auf der Membran 410 Stellen in der Verlängerung der Stützstellen 410 übrig, die die ursprüngliche Materialdichte des Substrats 100 bzw. der aufgebrachten Schicht(en) 300 bzw. 310 aufweisen. Dies hat jedoch für die Filterwirkung keine Auswirkung, da lediglich das effektive Verhältnis von Kavernenbreite zu Porengröße für den Fluss durch die Membran 400 relevant ist.In the 4 are the support bars 410 also like the membrane 400 etched porous. However, it can also be provided that the support webs 410 during the introduction of the cavern 120 be left standing, not be etched porous. It can also be provided that the membrane 400 only in the extensions of the caverns 120 is etched porous. In the latter case remain on the membrane 410 Places in the extension of the supporting points 410 left over, which is the original material density of the substrate 100 or the applied layer (s) 300 respectively. 310 exhibit. However, this has no effect on the filter effect, since only the effective ratio of cavern width to pore size for the flow through the membrane 400 is relevant.

Eine gemäß den vorstehenden Ausführungen hergestellte poröse Membran mit einer homogenen Verteilung der Durchgangsöffnungen kann in vielfältiger Weise verwendet werden. So kann mit einer derartigen Membran ein implantierbarer Glukose-Sensor realisiert werden, bei dem die Membran die biochemische Messzelle des Sensors vor der körpereigenen Abwehr schützt. Darüber hinaus kann eine solche als Filter einsetzbare Membran aber ganz allgemein in Zellchips bzw. in Chips für den Laborbedarf eingesetzt werden, um kleine Bestandteilen eines Fluids den Durchtritt zu ermöglichen, während größere Bestandteile zurückgehalten werden.A porous membrane made in accordance with the above embodiments with a homogeneous distribution of the through-holes can be used in a variety of ways. Thus, with such a membrane, an implantable glucose sensor can be realized, in which the membrane protects the biochemical measuring cell of the sensor from the body's own defense. In addition, however, such a filter-employable membrane can be used more generally in cell chips or laboratory grade chips to allow passage of small portions of a fluid while retaining larger components.

Ganz allgemein kann ein Filter, wie er gemäß der Beschreibung in einem festen Rahmen einstückig ausgebildet wird, zur Filterung von Flüssigkeiten wie auch von Gasen verwendet werden.In general, a filter as it is integrally formed as described in a fixed frame can be used to filter liquids as well as gases.

Claims (7)

Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements, mit den Schritten – Bereitstellung eines Trägerelements (100) aus einem Halbleitermaterial und – Erzeugung einer Membran (140, 240, 340) auf oder in dem Trägerelement – Porosifizierung der Membran (150, 250, 350, 400) mittels eines elektrochemischen Ätzvorgangs, wobei vor der Porosifzierung auf wenigstens eine Seite der Membran eine elektrisch leitfähige Schicht (130, 230, 330) aufgebracht wird, wobei vorgesehen ist, die Membran von der dieser Seite abgewandten Seite aus porös geätzt wird. dadurch gekennzeichnet, dass während des Ätzvorgangs zunächst die Membran und anschließend die elektrisch leitfähige Schicht porös geätzt wird, wobei vorgesehen ist, dass der elektrochemische Ätzvorgang unterbrochen wird, wenn wenigstens eine durchgehend Pore durch die Membran und die leitfähige Schicht geätzt wurde, um eine durch die gesamte Membran hindurchreichende gleichmäßige Porenstruktur über die Oberfläche der Membran zu erzeugen.Method for producing a micromechanical component, comprising the steps - providing a carrier element ( 100 ) of a semiconductor material and - production of a membrane ( 140 . 240 . 340 ) on or in the carrier element - porosification of the membrane ( 150 . 250 . 350 . 400 ) by means of an electrochemical etching process, wherein before the porosification on at least one side of the membrane an electrically conductive layer ( 130 . 230 . 330 ) is applied, it being provided, the membrane is etched from the side facing away from this side of porous. characterized in that during the etching process, first the membrane and then the electrically conductive layer is etched porous, wherein it is provided that the electrochemical etching is interrupted when at least one continuous pore was etched through the membrane and the conductive layer to one through the Throughout the membrane to produce uniform uniform pore structure over the surface of the membrane. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem elektrochemischen Ätzvorgang die elektrisch leitfähige Schicht selektiv gegenüber dem Material der Membran und/oder des Trägerelements entfernt wird.A method for producing a micromechanical device according to claim 1, characterized in that after the electrochemical etching process, the electrically conductive layer is selectively removed from the material of the membrane and / or the carrier element. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrochemischen Ätzvorgang Poren mit einheitlichem Durchmesser und/oder Größe in der Membran erzeugt.Method for producing a micromechanical component according to one of Claims 1 or 2, characterized in that the electrochemical etching produces pores of uniform diameter and / or size in the membrane. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran mittels eines mikromechanischen Ätzverfahrens aus dem Trägerelement herausstrukturiert wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass in das Trägerelement unterhalb der Membran eine Kaverne (120) getrencht wird.Method for producing a micromechanical component according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the membrane is patterned out of the carrier element by means of a micromechanical etching method, wherein it is provided in particular that a cavity (in the carrier element below the membrane) ( 120 ) is trimmed. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Trägerlement wenigstens eine Membranschicht (300, 310) aufgebracht wird. Dies kann epitaktisch oder mittels Verwendung eines SOI Substrates bewerkstelligt sein.Method for producing a micromechanical component according to one of claims 1 to 3, characterized in that on the support element at least one membrane layer ( 300 . 310 ) is applied. This can be done epitaxially or by using an SOI substrate. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement und/oder die Membran Si aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Membran aus SiC besteht. Method for producing a micromechanical component according to one of claims 1 to 5, characterized in that the carrier element and / or the membrane comprises Si, wherein it is provided in particular that the membrane consists of SiC. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige elektrische Schicht dotiertes SiGe oder Si aufweist.Method for producing a micromechanical component according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the conductive electrical layer comprises doped SiGe or Si.
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